王子博，王道順，柳光偉，李宇宙

(1.路易斯安那理工大學(xué) 工程與科學(xué)學(xué)院,美國(guó) LA 71270; 2.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 遼寧 大連 116028)

0　引言

功率因數(shù)對(duì)高效用電有十分重要的作用.用并聯(lián)電容器的方式提高功率因數(shù)，是目前在企業(yè)中普遍應(yīng)用的一種節(jié)電方式.因其價(jià)格低廉、操作簡(jiǎn)單、效果明顯而得到廣泛應(yīng)用[1].將電容器接入或斷開電網(wǎng)的操作中，由于可能存在大電流與強(qiáng)電弧造成對(duì)電網(wǎng)的污染以及設(shè)備的損害，因此必須采用專業(yè)的電容器投切開關(guān)才能避免.投切電容器的技術(shù)要求是：要在觸點(diǎn)兩端電壓為零時(shí)接通，使電容器無涌流投入；在流過觸點(diǎn)的電流為零時(shí)斷開，使觸點(diǎn)無電弧分離[2].常見電容器投切開關(guān)有四種形式：交流接觸器、晶閘管開關(guān)、交流接觸器與晶閘管復(fù)合開關(guān)，以及同步開關(guān).同步開關(guān)也稱選相開關(guān)，可以說是機(jī)械開關(guān)與微處理器技術(shù)的復(fù)合開關(guān).既保持了機(jī)械開關(guān)的可靠，又克服了晶閘管易損壞的缺點(diǎn)，還有微處理器控制精準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)，因此正得到越來越廣泛的使用[3].

同步開關(guān)的工作原理與實(shí)現(xiàn)方法，理論上講并不難，但實(shí)際上要設(shè)計(jì)出一臺(tái)高技術(shù)指標(biāo)的同步開關(guān)卻并非易事.如果設(shè)計(jì)考慮不周，就達(dá)不到預(yù)期的效果.因此就有人提出了永磁真空開關(guān)與磁保持繼電器的復(fù)合開關(guān)方案[4]，來提高投切開關(guān)壽命.同步開關(guān)的設(shè)計(jì)難度，主要是投切動(dòng)作時(shí)間控制精度較難把握.針對(duì)這一問題，本文從同步開關(guān)的工作原理入手，深度分析影響過零投切精度的諸多因素，并提出高性能技術(shù)指標(biāo)產(chǎn)品的解決方案.

1　過零投切工作原理與精度要求

按投切要求，要在繼電器觸點(diǎn)兩端電壓為零時(shí)接通；要在流過觸點(diǎn)的電流為零時(shí)斷開.以接通為例，如圖1所示，圖中的正弦波表示待投切交流電.如果有投切指令，微處理器從過零檢測(cè)電路得到的零點(diǎn)A開始，延時(shí)T1時(shí)間再發(fā)出繼電器動(dòng)作指令.繼電器經(jīng)過T2時(shí)長(zhǎng)的動(dòng)作時(shí)間后， 在下一個(gè)電壓過零點(diǎn)B處接通觸點(diǎn).在過零點(diǎn)B處接通，是理想狀態(tài)，但實(shí)際動(dòng)作肯定會(huì)有誤差.下面就分析一下誤差會(huì)帶來多大影響.

圖1　過零投切原理示意圖

50 Hz的交流電，周期為20 ms.每個(gè)周期內(nèi)有上下2個(gè)波峰，每個(gè)波峰寬度時(shí)間為10 ms.就是說，從過零點(diǎn)時(shí)刻開始，5 ms后就會(huì)到達(dá)峰值.因此，必須嚴(yán)格控制時(shí)間，才能保證繼電器觸點(diǎn)在過零時(shí)切換[5].以接通來說，即使有0.1 ms的誤差，那么繼電器觸點(diǎn)兩端的電壓也有：

式中，T為交流電周期，t為偏離零點(diǎn)的時(shí)間值.

對(duì)于380 V的交流電，其峰值電壓≈537 V，17 V的電壓約占峰值電壓的3%.即使將這17 V的電壓稱作是“零點(diǎn)”，那也要保證繼電器接通時(shí)間誤差在±0.1 ms之內(nèi).

±0.1 ms的接通時(shí)間誤差，從技術(shù)上來講，要求是相當(dāng)高的.例如，文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)的同步開關(guān)指標(biāo)是：繼電器觸點(diǎn)可在電壓過零點(diǎn)±0.5 ms內(nèi)接通，可在電流過零點(diǎn)±1 ms內(nèi)斷開.0.5 ms的誤差,實(shí)際接通電壓高達(dá)84V，已達(dá)峰值電壓的15.6%，實(shí)在是不該稱之為零點(diǎn)了.

理論上講，同步開關(guān)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，只要解決了高精度控制的問題，應(yīng)用效果就能大幅度提高.目前，許多同步開關(guān)效果不理想，其中一個(gè)原因是對(duì)影響同步開關(guān)投切精度的因素分析不到位、不細(xì)致.因此本文特別以μs為時(shí)間單位，以±100 μs的時(shí)間誤差為目標(biāo)，在深入分析影響精度因素之后，提出達(dá)到這一技術(shù)指標(biāo)的解決方案.

實(shí)際工程中通常是三相投切，但大多采用3臺(tái)單極同步開關(guān)來實(shí)現(xiàn)三相電容器的投切[6].本文主要內(nèi)容是精度分析，為了討論問題方便，因此也將分析對(duì)象簡(jiǎn)化為一路開關(guān).繼電器在電壓零點(diǎn)時(shí)接通，在電流零點(diǎn)時(shí)斷開，這兩個(gè)問題在技術(shù)上具有相似性，因此，本文以“繼電器在電壓零點(diǎn)時(shí)接通”為主題展開討論.磁保持繼電器是同步開關(guān)中最常用的繼電器，有單線圈雙向驅(qū)動(dòng)，與雙線圈單向驅(qū)動(dòng)兩種形式.本文中采用雙線圈驅(qū)動(dòng)形式.

2　過零投切精密時(shí)序分析

圖1只是大概說明過零投切的工作原理.如果要從技術(shù)角度深入分析，就要用到圖2的投切動(dòng)作時(shí)序圖.圖2中共有5個(gè)時(shí)間坐標(biāo)軸，下面分別予以說明.

(1) 電壓波形：待投切的交流電壓波形;

(2) 過零方波：由電壓過零檢測(cè)電路得到的波形.其上升與下降沿分別比實(shí)際交流電壓零點(diǎn)有ta與tb的延遲;

(3) 繼電器動(dòng)作指令：高電平表示接通.微處理器得到此信號(hào)后開始準(zhǔn)備發(fā)出操作指令;

(4) 繼電器線圈通電狀態(tài)：此圖為磁保持繼電器的 “接通線圈”通電狀態(tài);

(5) 繼電器觸點(diǎn)狀態(tài)：高電平表示接通.

圖2　投切動(dòng)作時(shí)序圖

微處理器接到投切的指令后，從下一個(gè)電壓零點(diǎn)(圖2中是從10 ms坐標(biāo)處過零點(diǎn)方波的下降沿，即實(shí)際零點(diǎn)延遲tb時(shí)間后)開始，延遲t1時(shí)間后，給繼電器線圈通電.t2是繼電器的動(dòng)作時(shí)間，即線圈通電t2時(shí)間后，繼電器觸點(diǎn)才閉合.t1是微處理器的延遲時(shí)間，計(jì)算公式為：

t1=10-tb-t2

(1)

式(1)對(duì)應(yīng)的是過零點(diǎn)方波取下跳沿時(shí)的情形.如果是上跳沿，則式(1)中的tb用ta代替即可.

3　影響投切精度的因素分析

由圖2及式(1)可知，微處理器從收到過零信號(hào)開始，要延時(shí)t1時(shí)間再驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作.而t1的計(jì)算公式中有3個(gè)變量會(huì)影響其精度.一是過零方波的延遲時(shí)間ta與tb，二是繼電器的動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間t2，三是交流電的半周期10 ms.這三個(gè)變量值本身并不重要，而重要的是其重復(fù)誤差.變量值本身是系統(tǒng)誤差，可以通過計(jì)算來補(bǔ)償，但重復(fù)誤差卻無法補(bǔ)償.因此，下面重點(diǎn)分析這三個(gè)變量的重復(fù)誤差對(duì)總精度的影響程度.

3.1　過零信號(hào)的精度分析

過零檢測(cè)電路有多種形式，從波形的角度來講，大致有兩種形式.一種是圖2所示的，由交流電壓波形經(jīng)電壓比較器直接生成過零方波.交流電壓正半周對(duì)應(yīng)高電平，負(fù)半周對(duì)應(yīng)低電平.第二種是先將交流電整流為單向脈動(dòng)波，再用電壓比較器生成過零脈沖.第二種形式，額外增加了一個(gè)整流環(huán)節(jié)，理論上只能增大誤差.因此設(shè)計(jì)時(shí)，不建議用這種形式.

過零檢測(cè)電路的構(gòu)成通常有二極管、光電耦合器、電壓比較器、運(yùn)算放大器等各種元器件的組合.電路方案決定了選用的器件，對(duì)檢測(cè)精度有很重要影響.最后的輸出波形無論是過零方波，還是過零脈沖，總要產(chǎn)生一定延遲誤差.以圖2中的ta與tb來講，其值的大小并不重要，只要重復(fù)誤差小，對(duì)計(jì)算t1的精度影響就小.所以說，過零檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)要以盡量減小重復(fù)誤差為設(shè)計(jì)原則.或者說，以過零方波的穩(wěn)定性為主要考慮指標(biāo).

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如果用普通整流二極管構(gòu)成的整流橋來整流，重復(fù)誤差會(huì)明顯增大.如果電路中采用了普通光電耦合器，會(huì)產(chǎn)生較大的隨機(jī)重復(fù)誤差.這兩類器件的重復(fù)誤差許多情況下會(huì)超過100μs.僅這一處誤差，就會(huì)使時(shí)間綜合誤差控制在100 μs之內(nèi)的指標(biāo)無法實(shí)現(xiàn).就是說，過零檢測(cè)電路不應(yīng)采用有普通二極管或光電耦合器的設(shè)計(jì).當(dāng)然，用二極管做鉗位保護(hù)不算.一些相關(guān)文獻(xiàn)中的過零檢測(cè)電路，都采用了普通二極管或光電耦合器，例如文獻(xiàn)[3]與[4]，其過零信號(hào)精度實(shí)際上就不能得到保障.即使采用運(yùn)算放大器或電壓比較器，不同型號(hào)、不同廠家的產(chǎn)品效果也各不相同.圖3為采用特別選擇的LM311電壓比較器設(shè)計(jì)的過零檢測(cè)電路，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，其過零方波對(duì)應(yīng)圖2中的兩個(gè)延遲時(shí)間分別為：ta=20 μs，tb=5 μs.重復(fù)誤差可控制在1 μs之內(nèi)[7]，相對(duì)于100 μs的誤差指標(biāo)來講，此誤差基本可以忽略不計(jì).

圖3　典型過零檢測(cè)電路

由圖3的例子可見，過零脈沖的兩個(gè)延遲時(shí)間ta與tb差距還是挺大的.如果采用過零脈沖的信號(hào)形式，即使整流電路采用了運(yùn)放組成的絕對(duì)值電路，要保證交流電正負(fù)兩個(gè)半波對(duì)應(yīng)的信號(hào)脈沖的時(shí)間對(duì)稱性，設(shè)計(jì)難度會(huì)提高很多.如果保證不了脈沖的時(shí)間對(duì)稱性，就相當(dāng)于把ta與tb當(dāng)做同一個(gè)參數(shù)來處理，肯定會(huì)帶來一定誤差.

有些電路比圖3電路的延遲誤差可能更小，但如果重復(fù)誤差較大的話，也不行.設(shè)計(jì)電路時(shí)要充分注意這一點(diǎn)，控制重復(fù)誤差才是關(guān)鍵.

3.2　繼電器動(dòng)作時(shí)間精度分析

磁保持繼電器的動(dòng)作時(shí)間穩(wěn)定性相對(duì)普通繼電器要更好.動(dòng)作速度比較快的，動(dòng)作時(shí)間一般在3～6ms之間.例如，雙線圈的HFE22型磁保持繼電器，觸點(diǎn)容量440VAC/100A.其接通時(shí)間約為4 ms.

要保證最終控制精度，重要的是動(dòng)作時(shí)間的重復(fù)誤差.影響動(dòng)作時(shí)間重復(fù)誤差的因素，除了繼電器本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)特性之外，驅(qū)動(dòng)電壓、驅(qū)動(dòng)時(shí)間都有影響.通過對(duì)HFE22型磁保持繼電器用不同的驅(qū)動(dòng)時(shí)間，得到了表1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.實(shí)驗(yàn)條件為：驅(qū)動(dòng)電壓：24 V；動(dòng)作間隔時(shí)間：1 s；環(huán)境溫度：20℃；閉合/斷開次數(shù)：每種動(dòng)作50次.

表1　不同驅(qū)動(dòng)脈沖寬度繼電器動(dòng)作時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1可見，當(dāng)驅(qū)動(dòng)脈沖寬度為50 ms時(shí)，動(dòng)作重復(fù)誤差最小.在此條件下，記錄的閉合最慢動(dòng)作時(shí)間為3 994 μs，最快為3 968 μs，閉合最大誤差時(shí)間為26 μs.斷開最慢動(dòng)作時(shí)間為2648 μs，最快為2627 μs，斷開最大誤差時(shí)間為21 μs.

影響動(dòng)作時(shí)間的另一個(gè)因素是驅(qū)動(dòng)電壓.例如當(dāng)供電電壓為23.5 V時(shí)，50次閉合時(shí)間平均值為4 014 μs.當(dāng)供電電壓為24.5 V時(shí)，50次閉合時(shí)間平均值為3 923 μs.時(shí)間差為91 μs.可見電壓影響相當(dāng)大，因此，必須用穩(wěn)定的直流電源來驅(qū)動(dòng)，使電壓的影響減到最小.

影響動(dòng)作時(shí)間的還有溫飄與時(shí)飄等因素，雖然變化緩慢，但影響卻不能忽略，計(jì)算最終精度時(shí)必須考慮進(jìn)去.

3.3　交流電周期時(shí)間誤差分析

發(fā)電廠的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，行業(yè)規(guī)定發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差必須小于±2 r/min，由此可知，發(fā)電廠的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)在2 998～3 002 r/min之間.相當(dāng)于49.967～50.033 r/s之間，對(duì)應(yīng)的交流電頻率在49.967～50.033 Hz之間.由此可得，其周期為19.987～20.013 ms，最大誤差為±13 μs.因此半周期10 ms的最大誤差為±6.5 μs.

由于發(fā)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)有較大的機(jī)械慣性，因此其轉(zhuǎn)速即使有變化也是緩慢的，±6.5 μs 的誤差也較小，因此可將其影響歸于溫飄與時(shí)飄一類來考慮.

4　投切精度綜合分析

由式(1)引出的對(duì)過零檢測(cè)延遲誤差、繼電器動(dòng)作時(shí)間誤差、交流電周期時(shí)間誤差等三個(gè)變量誤差的分析可見，主要誤差是繼電器的動(dòng)作時(shí)間誤差.但最大26 μs的動(dòng)作時(shí)間誤差似乎很小，比前面提出的綜合誤差控制在100 μs內(nèi)的要求相對(duì)照，似乎很容易滿足.但事實(shí)并非這么簡(jiǎn)單.

通過對(duì)繼電器動(dòng)作時(shí)間的進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并不能真實(shí)反映繼電器的動(dòng)作時(shí)間誤差.原因是之前提到的溫飄與時(shí)飄因素影響其實(shí)相當(dāng)大.表1的實(shí)驗(yàn)是按每秒一次的穩(wěn)定速度連續(xù)動(dòng)作的結(jié)果.如果將動(dòng)作間隔時(shí)間隨機(jī)化，特別是間隔24 h之后再動(dòng)作，會(huì)發(fā)現(xiàn)動(dòng)作時(shí)間變化相當(dāng)大，有幾十甚至?xí)^100 μs，或者更大.圖4所示是這種變化特點(diǎn)的示意圖.

圖4　繼電器動(dòng)作時(shí)間漂移性變化示意圖

這種變化，具有溫飄與時(shí)飄的特點(diǎn)，變化比較緩慢，而隨機(jī)重復(fù)誤差并未產(chǎn)生多少變化.因此，這類漂移誤差是可以通過補(bǔ)償算法予以修正的.但前提是必須有實(shí)際動(dòng)作時(shí)間的測(cè)量反饋電路，來獲得繼電器的實(shí)際動(dòng)作時(shí)間.

考慮到實(shí)際工況的復(fù)雜性，春夏秋冬溫度、濕度的不同，交流電壓、頻率的變化，繼電器觸點(diǎn)的逐漸損耗，溫飄時(shí)飄等諸多因素影響，要保證長(zhǎng)期工作的投切時(shí)間誤差控制在100 μs之內(nèi)，實(shí)屬不易.如果不增加動(dòng)作時(shí)間反饋，可以說是幾乎是不可能的.

增加過零投切誤差時(shí)間測(cè)量反饋之后，可以利用軟件技術(shù)，補(bǔ)償絕大部分由溫飄、時(shí)飄，以及繼電器動(dòng)作時(shí)間的不確定性漸變漂移.最終投切時(shí)間誤差基本可以控制在100 μs之內(nèi)，效果相當(dāng)不錯(cuò).要保證測(cè)量反饋的準(zhǔn)確度，反饋環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)也有一定難度，但限于篇幅與文章主題，此處不再贅述.

5　結(jié)論

為提高同步開關(guān)的設(shè)計(jì)精度，本文給出以下設(shè)計(jì)建議：

(1)過零檢測(cè)電路盡量采用過零方波輸出形式，減少整流環(huán)節(jié).如果要整流，要采用運(yùn)放組成的絕對(duì)值電路來實(shí)現(xiàn).避免使用普通二極管與光電耦合器等重復(fù)誤差大的器件;

(2)選擇動(dòng)作時(shí)間重復(fù)誤差小的磁保持繼電器，選擇合適的驅(qū)動(dòng)電壓，并嚴(yán)格保證電壓的穩(wěn)定.還要選擇合適的驅(qū)動(dòng)時(shí)間，保證驅(qū)動(dòng)時(shí)間的一致;

(3)增加繼電器過零動(dòng)作時(shí)間誤差反饋環(huán)節(jié)，用于補(bǔ)償控制系統(tǒng)，特別是磁保持繼電器的溫度漂移、時(shí)間漂移等.短時(shí)間內(nèi)的精度要靠電路與軟件保證，反饋環(huán)節(jié)提供的投切誤差信息，用于調(diào)節(jié)控制參數(shù)，補(bǔ)償修正漂移性漸變導(dǎo)致的投切誤差.

參考文獻(xiàn)：

[1]王砼,陳麗安,劉濤. 低壓智能電容器自適應(yīng)過零投切技術(shù)的研究[J]. 電器與能效管理技術(shù),2014,17:10-14,25.

[2]張勝雷,段毅,王沙,等. 新型電容器投切開關(guān)設(shè)計(jì)——智能同步開關(guān)[J]. 電工文摘,2015(2):17-19.

[3]祁曉蕾,沈雷明. 一種低壓無功補(bǔ)償?shù)闹悄芡介_關(guān)技術(shù)[J]. 民營(yíng)科技,2014(12):56-57.

[4]陳杏燦,程漢湘,彭湃,等. 基于永磁真空開關(guān)的無功補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)[J]. 電力電容與無功補(bǔ)償,2016,37(3):10-14.

[5]周飛勇. 無功補(bǔ)償裝置“同步開關(guān)”投切元件淺析[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2013,23:10-11.

[6]楊建寧,成小瑛. 基于單臺(tái)三極同步開關(guān)的智能型無功補(bǔ)償裝置[J]. 電力電容與無功補(bǔ)償,2014,35(2):24-28.

[7]鄒強(qiáng)．基于單片機(jī)控制的交流電選相開關(guān)控制器設(shè)計(jì)[D]．大連:大連交通大學(xué),2014.